三维虚拟技术在中学化学晶体结构可视化教学中的适配性研究

晶体结构是高中化学《物质结构与性质》模块的重要内容，其抽象性与空间复杂性对学生的认知能力提出了较高要求。传统教学中，教师多依赖二维图片、静态模型和口头描述进行讲解，导致学生难以建立微观结构与宏观性质的关联，尤其在理解晶胞参数、原子排列方式及晶体对称性等知识点时存在显著障碍。据调查，超过 70% 的学生认为晶体结构抽象难学，其根本原因在于缺乏直观的三维可视化工具支持。

三维虚拟技术通过计算机建模、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等手段，将微观晶体结构转化为可交互的三维动态模型，为解决上述问题提供了新路径。该技术不仅能多角度展示晶体的空间构型，还能模拟原子运动、晶胞堆积等动态过程，帮助学生突破空间想象力的局限。国内外研究表明，三维虚拟技术在化学微观结构教学中具有显著优势，有效提升了学生的空间思维能力。然而，当前研究多集中于技术应用的有效性，对其在中学化学教学中的适配性缺乏系统探讨。因此，本研究从空间感知、教学模式和社会需求三个方面展开分析，旨在为三维虚拟技术的精准应用提供理论支持。

一、应用三维虚拟技术，提高学生的空间感受力

晶体结构的空间特征是理解物质性质的基础，而学生对三维结构的认知往往受制于二维教材插图和静态模型的局限性。三维虚拟技术通过动态建模与多维度展示，将抽象的晶体结构转化为可观察、可操作的虚拟对象，有效提升学生的空间感知能力。例如，矩道科技的 VR 教学系统通过高精度建模技术，完整呈现了NaCl 晶体的面心立方结构，学生可通过手势交互旋转、缩放晶胞模型，直观观察钠离子与氯离子的交替排列规律。这种沉浸式体验不仅强化了学生对“无隙并置”“取向相同”等概念的理解，还能通过动态演示晶胞的堆积过程，帮助学生建立微观结构与宏观晶体的关联。在教学实践中，三维虚拟技术的应用需结合学生的认知规律。高中化学教材中，晶体结构的教学通常从简单立方、体心立方到面心立方逐步深入。教师可借助虚拟模型设计分层任务：首先通过静态模型展示晶胞的基本结构，随后通过动画演示原子的空间分布，最后引导学生通过交互操作分析晶胞参数与晶体性质的关系。例如，在讲解金刚石的共价键网络结构时，学生可通过 VR 设备观察碳原子的四面体配位方式，并通过切割晶胞的操作理解“均摊法”的计算原理。这种从直观观察到深度探究的递进式教学，显著提升了学生对复杂空间关系的解析能力。

三维虚拟技术对学生空间感受力的提升具有实证依据。教学实验显示，采用三维虚拟技术辅助教学的班级，学生在晶胞参数计算、晶体结构推断等题型上的正确率较传统教学班级提高了 19% ，其主要原因在于学生通过虚拟模型建立了更清晰的空间坐标系和结构认知框架。值得注意的是，技术应用需避免过度依赖视觉刺激，应通过问题引导促进学生的深度思考，实现空间感知与逻辑推理的有机结合。

二、应用三维虚拟技术，教师为主导与学生为主体

传统晶体结构教学中，教师往往主导知识传递过程，学生被动接受静态模型的展示，导致课堂互动不足、探究性缺失。三维虚拟技术通过构建开放式交互平台，为教师引导与学生自主探究提供了新的结合点。教师则通过后台数据实时监控学生的探究过程，针对共性问题进行集中讲解，同时对个性化问题提供针对性指导。例如在讲解“均摊法”时，先通过动画演示顶点、棱边、面心原子的共享规律，再提供铜、干冰、镁三种晶胞模型供学生自主计算。学生在操作过程中若出现错误，系统会自动提示并引导其重新观察模型，从而实现“做中学”的深度学习。某实验表明，采用三维虚拟技术的课堂中，学生主动提问次数增加了 3 倍，小组讨论的深度与广度显著提升，体现了以学生为中心的教学理念。教师的主导作用在技术应用中尤为关键。例如，在金刚石晶胞教学中，教师可通过虚拟平台展示晶胞沿体对角线的切割过程，引导学生观察碳原子的空间分布规律，进而推导晶胞内原子数目。同时，教师需根据学生的操作数据调整教学策略，例如对空间想象能力较弱的学生，可推送分步拆解晶胞的微视频，而对能力较强的学生，则提供合金晶体结构的拓展任务。这种分层教学模式既保证了教学进度，又满足了个性化学习需求，实现了教师主导与学生主体的有机统一。

三、应用三维虚拟技术，满足社会发展的人才需求

随着新材料科学、纳米技术等领域的快速发展，具备三维建模与空间分析能力的人才需求日益增长。中学化学作为科学教育的基础阶段，需通过晶体结构教学培养学生的空间思维与创新能力。三维虚拟技术的应用恰好对接了这一需求：其一，通过虚拟建模工具，学生可接触到与工业界接轨的晶体结构分析方法，例如利用 Matlab App Designer 构建半导体晶体的动态模型，理解晶体对称性对材料性能的影响；其二，技术应用过程中强调的问题解决能力与跨学科思维（如结合数学中的立体几何知识分析晶胞参数），符合创新型人才的培养目标。

教材中的晶体结构内容与产业应用具有天然联系。例如，金属晶体的堆积模型（如六方最密堆积、面心立方最密堆积）是理解金属材料力学性能的基础，而离子晶体的结构缺陷分析则与固态电池研发密切相关。教师可通过虚拟技术将这些前沿内容引入课堂，例如展示锂离子电池正极材料 LiCo0₂ 的晶体结构，引导学生分析离子迁移路径与电池性能的关系。这种教学内容的更新不仅能激发学生的学习兴趣，还能使其认识到化学知识的实际价值，增强学习动力。

四、结束语

本研究表明，三维虚拟技术在中学化学晶体结构教学中具有显著的适配性。然而，技术应用仍面临设备普及不足、教师技术素养有待提高等挑战。未来研究需进一步探索低成本、易操作的三维虚拟解决方案，同时加强教师培训，推动技术与教学的深度融合。随着教育信息化的深入发展，三维虚拟技术有望成为中学化学教学改革的重要驱动力，为培养具有科学素养与创新能力的未来人才提供有力支持。

参考文献：

[1] 孙芳 . 虚拟技术在中学化学教学中的应用现状和前景分析 [J]. 考试周刊 ，2018（58）：160+188.

[2] 黄剑芳 . 三维虚拟技术在物质结构教学中的应用初探 [J]. 化学教学 ，2006（10）：30-32.

基金项目：本文是江西省中小学、幼儿园教育信息技术研究课题2024 年度立项的一般课题《三维虚拟技术在物质结构晶胞教学中的应用与课例研究》（课题编号：11944）阶段性研究成果（ 作者：张秀梅，葛平，廖治平）。